[發明專利]一種基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 202110572615.1
• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN113252573B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 馬欲飛;郎梓婷;喬順達;何應;于欣
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/25
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李智慧

1.一種基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測裝置，其特征在于所述裝置包括可調諧半導體激光器、激光準直系統、待測氣體氣室、聚焦透鏡、石英音叉、共振管、信號發生器、激光控制器、加法器、鎖相放大器、計算機，其中：

所述石英音叉與共振管之間預留一定間隙；

所述石英音叉的厚度為0.32 mm時，石英音叉與共振管之間預留0.5 mm的間隙；

所述共振管為兩段，兩段共振管放置在石英音叉叉指中心的前后兩側；

所述信號發生器產生的低頻鋸齒波和鎖相放大器產生的高頻正弦波被送入加法器，疊加后的信號構成了激光波長的調制信號；

所述調制信號被送入激光控制器中，通過溫度和電流兩個模塊改變可調諧半導體激光器輸出激光的波長，激光經過激光準直系統后入射到待測氣體氣室中，待測目標氣體吸收部分激光能量；

所述激光從待測氣體氣室出射后經聚焦透鏡光斑被聚焦到石英音叉叉指的根部位置，由于光致熱彈性形變和壓電效應，產生的振動信號轉換為電信號并將此電信號輸入到鎖相放大器中進行諧波信號采集，諧波數據最后輸入計算機中進行處理，反演氣體濃度。

2.根據權利要求1所述的基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測裝置，其特征在于所述可調諧半導體激光器為近紅外連續可調諧單縱模輸出的分布反饋式半導體激光器或其他波段的可調諧激光器。

3.根據權利要求1所述的基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測裝置，其特征在于所述石英音叉頂部與共振管在高度上的相對距離不超過2 mm。

4.根據權利要求1所述的基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測裝置，其特征在于所述石英音叉處于密閉氣室中，密閉氣室的氣壓處于50~500 Torr之間。

5.根據權利要求1所述的基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測裝置，其特征在于所述石英音叉的等效阻抗值小于200 kΩ，品質因數大于10000。

6.根據權利要求1所述的基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測裝置，其特征在于所述鎖相放大器產生的正弦波對激光器輸出波長進行調制，且調制頻率等于石英音叉共振頻率的一半。

7.根據權利要求1所述的基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測裝置，其特征在于所述共振管替換為圓柱形腔、圓形腔或橢圓形腔。

8.一種利用權利要求1-7任一項所述裝置進行基于腔增強的光熱光譜痕量氣體檢測的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟：

步驟一：調節依次通過可調諧半導體激光器、激光準直系統、待測氣體氣室、聚焦透鏡、石英音叉的光路，保證光路在水平和垂直方向上筆直，并合理選擇共振管的內徑與長度；

步驟二：激光控制器通過改變溫度和電流的方式控制可調諧半導體激光器的輸出波長，找到對應檢測氣體吸收線的溫度和電流；

步驟三：使用計算機操控鎖相放大器先對石英音叉的共振頻率進行掃描，將得到的共振頻率的一半設定為正弦波的頻率，隨后對調制深度進行掃描，得到最佳調制深度；

步驟四：三維調節石英音叉的位置，確保激光入射在石英音叉兩叉指的根部位置，并優化兩段共振管與石英音叉的相對位置使實驗效果最佳；

步驟五：通過激光控制器改變溫度或電流，使可調諧半導體激光器波長被調節到合適范圍，以便信號發生器輸出的低頻鋸齒波作用到可調諧半導體激光器上，經計算機與鎖相放大器的數據處理得到一個完整的二次諧波信號；

步驟六：石英音叉由于壓電效應產生的電信號被傳輸到鎖相放大器中，經計算機與鎖相放大器處理得到二次諧波信號，根據二次諧波信號的峰值便可反演出目標氣體的濃度信息。